Uzun süreli mürettebatlı uzay uçuşlarına geri dönüş yapılmasının beklenmesiyle astronotlar, uzay radyasyonuna maruz kalma nedeniyle önemli risklerle karşı karşıya kalacaklar. Galaktik kozmik ışınlar (GCR'ler), kolayca korunmadıkları ve 0.5 mGy/gün kadar yüksek doz hızlarına sahip oldukları için özel bir zorluk teşkil etmektedir.
Merkezi sinir sistemine sürekli ışınlama, hem uzun vadeli astronot sağlığı hem de genel görev başarısı açısından büyük bir endişe kaynağıdır. Kemirgenlerde yapılan çalışmalar, 50 mGy kadar düşük radyasyon dozlarına maruz kalmanın ardından davranış değişiklikleri olduğunu göstermiştir. Radyoterapi ile tedavi edilen hastalarda, çok daha yüksek radyasyon dozlarında da olsa, bilişsel ve hafıza bozuklukları da görülmüştür. Ancak astronotlar için doğru risk tahmini, kısmen geniş spektrumlu GCR alanını laboratuvarda taklit etmenin teknik zorlukları nedeniyle zordur.
Son yıllarda NASA Uzay Radyasyon Laboratuvarı yeni bir GCR simülatörü kullandı (GCR Sim) radyobiyoloji deneyleri için. GCRSim spektrumu 33 iyon-enerji kombinasyonunu içeriyor ve astronotların Ay ve Mars'a yolculuklarında deneyimleyeceği radyasyon ortamına çok benziyor.
Şimdi bir araştırma ekibi Harvard Üniversitesi ve Massachusetts Genel Hastanesi GCRSim'in ilk nanometre ölçekli hesaplamalı analizini gerçekçi bir nöron geometrisinde gerçekleştirdi. Ekip, sunulan simülasyonların Tıp ve Biyolojide FizikGCRSim deneyleri yapan araştırmacıların biyolojik verileri yorumlamasına yardımcı olacak.
İlk yazar, "Bu çalışmanın motivasyonu, gerçekçi uzay uçuşu koşulları altında bir nörona aktarılan enerji birikimini simüle etmekti; bu, yer tabanlı radyobiyoloji deneyleri sırasında da kopyalanabilir" dedi. Yunus Peter anlatır Fizik dünyası.
Nöronun modellenmesi
Radyasyona bağlı davranış değişikliklerinin kısmen beynin hipokampüsündeki nöronların hasar görmesinden kaynaklandığı düşünülmektedir. Özellikle dendritler (sinir hücresinin dallanmış uzantıları) ve dendritik dikenler (dendritlerden gelen küçük çıkıntılar) gibi alt nöronal yapıların ışınlanması bilişsel gerilemeye neden olabilir. Bunu akılda tutarak Peter ve meslektaşları siliko soma (hücre gövdesi), dendritler ve 3500'den fazla dendritik diken dahil olmak üzere temsili bir hipokampal nöronun rekonstrüksiyonları.
Ekip, 14 farklı enerjide proton ve alfa parçacıklarının yanı sıra beş ağır iyon içeren her bir GCRSim iyon-enerji kombinasyonu için nörondaki parçacık izlerini modellemek amacıyla Monte Carlo simülasyonlarını kullandı.
Tüm simülasyonlar için, nöronun tamamında emilen toplam doz, bir astronotun 0.5-2 yıllık Mars görevi sırasında deneyimlediği yaklaşık doz ve GCRSim deneylerinde kullanılan doz olan 3 Gy'ye ölçeklendirildi.
Model, GCRSim ışınlamasından sonra sırasıyla 0.54±0.09, 0.47±0.02 ve 0.8±0.5 Gy'lik soma, dendritler ve dikenlere absorbe edilen dozları öngördü; düşük akıcılıkta ışınlama profilindeki homojensizlikler nedeniyle 0.5 Gy'den saptı. Peter şöyle açıklıyor: "Bu, emilen dozda stokastik dalgalanmalara yol açıyor ve bunlar daha küçük yapılar için daha belirgin hale geliyor."
Araştırmacılar ayrıca üç dendritik omurga tipinin (mantar, ince ve kısa dikenler) enerji birikimini de analiz etti. Mantar dikenlerinin, ortalama hacimlerinin daha büyük olması nedeniyle toplam omurga enerjisi birikiminin yaklaşık %78'ini aldığını ve bunun da onları radyasyona bağlı hasar açısından daha büyük risk altına sokabileceğini buldular.
Enerji birikimi
GCRSim spektrumundaki tüm birincil iyonların yüksek enerjileri nedeniyle, her iyon enerjisinin çoğunu ikincil elektronlar aracılığıyla nörona depolar. Ekip, bu enerji birikimiyle ilişkili çeşitli fiziksel süreçleri araştırdı ve baskın katkının (%59) iyonlaşmalardan geldiğini buldu. İyonlaşmalar olay başına en büyük enerji birikimine neden olduğundan ve onları özellikle zararlı hale getirdiğinden bu önemlidir.
0.5 Gy'lik bir GCRSim nöron dozu için simülasyonlar, dendritik uzunluğun mikrometresi başına ortalama 1760±90 enerji birikimi olayı öngörüyordu; bunların 250±10'u iyonizasyondu. Ek olarak, mantar, ince ve güdük omurga başına sırasıyla ortalama 330±80, 50±20 ve 30±10 olay meydana geldi; omurga başına 50±10, 7±2 ve 4±2 iyonizasyon dahil.
Dendritler boyunca enerji birikimi olaylarının uzaysal dağılımının değerlendirilmesi, GCRSim'e maruz kalmanın, tüm dendritik bölümlerin çok düşük dozlarda proton ışınlamasına yol açtığını ortaya çıkardı. Alfa parçacıklarının yaygın ışınlaması da muhtemelen uzay uçuşuyla ilgili dozlardaydı, oysa daha ağır iyonların ışınlaması nispeten nadirdi.
Peter şöyle açıklıyor: "GCR ışınlamasının hangi yönlerinin nihai olarak biliş veya davranıştaki nihai değişikliklerden sorumlu olduğu konusunda hala çok fazla belirsizlik var." "Sonuçlarımız, nöron dendritleri gibi küçük ölçekli yapıların bile geniş çapta ışınlanmasının yalnızca birkaç aylık uzay uçuşundan sonra mümkün olduğunu gösteriyor."
Eğer bu kadar tekrarlanan, yaygın ışınlama gerçekten de nöronal işlev bozukluğunun nedeniyse, bu, uzun süreli derin uzay görevlerinin alçak Dünya yörüngesindeki kısa süreli kalışlardan orantısız olarak daha tehlikeli olduğu anlamına gelebilir. Peter, kesin sonuçlara varılmadan önce daha fazla deneysel veriye ihtiyaç duyulduğunu belirtiyor.
Kozmik zorluk: süper bilgisayarları dünya dışı bir tehdide karşı korumak
Son olarak araştırmacılar, sonuçlarını kullanarak elde edilenlerle karşılaştırdılar. SimGCRSimNASA deneylerinde de kullanılan basitleştirilmiş bir spektrum. 33 ışınlı GCRSim ve 6 ışınlı SimGCRSim ışınlama profillerinin, tek nöron ölçeğinde oldukça benzer akışlar ve enerji biriktirme modelleri ürettiğini buldular.
Peter, nihai hedefin radyasyona bağlı nöronal işlev bozukluğunun mekanik bir modelini geliştirmek olduğunu söylüyor. Ekibin bir sonraki adımı, simülasyonlara radyolitik kimyanın etkilerini dahil etmek ve daha fazla deneysel veri mevcut olduğunda, biyolojik fonksiyondaki değişikliklerden hangi fiziko-kimyasal özelliklerin sorumlu olduğunu ortaya çıkarmak olacak.
